Ultrazvukový programovatelný výkonový generátor využívající spínače z karbidu křemíku

Abstract

Tato práce popisuje princip a využití ultrazvukových generátorů. Jsou uvedena možná zapojení vstupního usměrňovače, PFC obvodu, měniče napětí a koncového stupně, ze kterých se generátor skládá. Dále jsou porovnány technologie Si, SiC a GaN výkonových tranzistorů. Následuje postup návrhu a realizace prototypu digitálně nastavitelného ultrazvukového generátoru. Měnič napětí je realizován pomocí upravené topologie half-bridge tak, aby dodával symetrické výstupní napětí pro koncový stupeň s celkovým maximálním výkonem 500 W. Napětí měniče je digitálně nastavitelné v rozsahu 150 V až 600 V a má aktivní regulaci pomocí zpětné vazby. Koncový stupeň je realizován pomocí tříúrovňového zapojení T-typ, s možností kontinuálního nebo pulsního buzení zátěže. Obě výkonové části využívají výkonové tranzistory na bázi SiC. Vstupní usměrňovač a obvod pro PFC nejsou realizovány. Měnič napětí je napájen z externího zdroje 320 V. Generátor byl otestován s odporovou i piezoelektrickou zátěží.

This thesis describes the principle and utilization of ultrasonic generators. Possible configurations of the input rectifier, PFC circuit, voltage converter, and output stage, which the generator consists of, are presented. After that, the Si, SiC, and GaN power transistor technologies are compared. Furthermore, the procedure for designing and implementing a digitally adjustable ultrasonic generator prototype is described. The voltage converter is constructed using a modified half-bridge topology to provide symmetrical output voltage for the output stage with a maximum total power of 500 W. The converter voltage is digitally adjustable within the range of 150 V to 600 V, with active feedback control. The output stage is implemented using a three-level T-type configuration, with the option of continuous or pulsed load excitation. Both power sections utilize SiC-based power transistors. The input rectifier and PFC circuit are not implemented. The voltage converter is powered by an external 320 V source. The generator has been tested with resistive and piezoelectric loads.